(57)【要約】【課題】    本発明は、逆回復時の性能に優れ、合わせて高耐圧な電力用ダイオードとして用いることができる半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】    ダイオードのドリフト層を３つの領域で構成し、アノード層を隣接する領域の不純物濃度をｎ１、カソード層と隣接する領域の不純物濃度をｎ２、この２つの領域に挟まれた領域の不純物濃度をｎ３としたとき、ｎ２  ＜  ｎ１  ＜  ｎ３となるようにカソード層の不純物濃度を調整する。【選択図】    図１
2006245475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の一方の主面に形成された第２導電型の第２の半導体層と、
前記第１の半導体層の他方の主面に形成され前記第１の半導体層より高濃度の第１導電型の第３の半導体層と、
を備え、
前記第１の半導体層は、前記第２の半導体層と接する第１の領域と、前記第３の半導体層と接する第２の領域と、前記第１の領域と第２の領域とに挟まれた第３の領域と、を有し、前記第１、第２、第３の領域の不純物濃度をそれぞれｎ１、ｎ２、ｎ３とした時に、
ｎ２  ＜  ｎ１  ＜  ｎ３
なる条件が満たされることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体装置の逆回復期間において、前記第２の半導体層と前記第１の領域との接合面から拡がる空乏層は前記第３の領域を超えないことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記逆回復期間を経て逆電流が流れなくなった状態において、電源電圧を印加したときの空乏層が前記第３の半導体層にまで達することを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
第１導電型で不純物濃度がｎ１となる半導体基板の片面に、第１導電型で不純物濃度がｎ３となる半導体層を形成する工程と、
前記第１導電型で不純物濃度がｎ３となる半導体層の表面に第１導電型で不純物濃度がｎ２となる半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記第１導電型で不純物濃度がｎ２となる半導体層の表面に第１導電型の半導体層を形成する工程と、
前記第１導電型で不純物濃度がｎ１となる半導体基板のもう一方の表面に第２導電型の半導体を形成する工程と、
を備え、
前記ｎ１〜ｎ３が、
ｎ２  ＜  ｎ１  ＜  ｎ３
なる条件を満たすことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
第１導電型で不純物濃度がｎ１となる半導体基板の片面に、第１導電型で不純物濃度がｎ３となる半導体層を形成する工程と、
前記第１導電型で不純物濃度がｎ３となる半導体層の表面に第１導電型で不純物濃度がｎ２となる半導体層を貼り合せる工程と、
前記第１導電型で不純物濃度がｎ２となる半導体層の表面に第１導電型の半導体層を形成する工程と、
前記第１導電型で不純物濃度がｎ１となる半導体基板のもう一方の表面に第２導電型の半導体を形成する工程と、
を備え、
前記ｎ１〜ｎ３が、
ｎ２  ＜  ｎ１  ＜  ｎ３
なる条件を満たすことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、例えば、逆回復特性を改善できるダイオードなどの電力用の半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクスの分野で用いられる電力用半導体装置には、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ （絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）、サイリスタ等のスイッチング素子とともにダイオードなどがある。  
近年、これら電力用半導体装置に対する、低損失、低ノイズ化の要求は大きくなりつつある。また、高耐圧化が重要になりつつある。
【０００３】
ダイオードのＰＮ間に電気抵抗の大きな半導体層をはさみ、少数キャリア蓄積効果を利用したｐｉｎダイオード（p-intrinsic-n Diode）がある。一般的なｐｉｎダイオードは、例えば、ｎ型低不純物濃度の第１の半導体層（ドリフト層）を、ｐ型高不純物濃度の第２の半導体層 （アノード層）とｎ型高不純物濃度の第３の半導体層（カソード層）の間に挟みこんだ構造となっている。  
ｐｉｎダイオードを低損失化するには、ドリフト層を薄くすることが効果的である。順方向通電時の電圧降下Ｖｆを小さくし、逆回復時の排出電荷量Ｑｒｒを小さくできるからである。しかし、ドリフト層を薄くすると逆回復時にドリフト層に広がる空乏層がカソード層に達し、ダイオードのテイル電流が大きな電流変化率ｄＩ／ｄｔを伴って消滅してしまう。このため、回路の浮遊インダクタンスＬＳによって大きなサージ電圧が印加されて素子が破壊されたり、ダイオードの寄生キャパシタンスと浮遊インダクタンスＬＳとからなるＬＣ回路に発振が生じて低ノイズ性を損なってしまう。  
このように、ｐｉｎダイオードにおける低損失化と低ノイズ化の間にはトレードオフの関係があり、逆回復特性の改善は容易なものではなかった。
【０００４】
これらの問題に対する改善策として、種々の提案がなされている（例えば、特許文献１乃至３）。  
しかしながら、これらの技術を用いてもｐｉｎダイオードの逆回復時の性能を十分に改善することができない。さらに、ｐｉｎダイオードを電力用ダイオードの用途で用いる場合には、高耐圧化についても十分に考慮しなければならないなどの問題もある。
【特許文献１】特許平３−３９５４号公報
【特許文献２】特開平６−３１４８０１号公報
【特許文献３】特開２００３−３１８４１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、逆回復時の性能に優れ、合わせて低損失で高耐圧な電力用ダイオードなどとして用いることができる半導体装置及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、
第１導電型の第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の一方の主面に形成された第２導電型の第２の半導体層と、
前記第１の半導体層の他方の主面に形成され前記第１の半導体層より高濃度の第１導電型の第３の半導体層と、
を備え、
前記第１の半導体層は、前記第２の半導体層と接する第１の領域と、前記第３の半導体層と接する第２の領域と、前記第１の領域と第２の領域とに挟まれた第３の領域と、を有し、前記第１、第２、第３の領域の不純物濃度をそれぞれｎ１、ｎ２、ｎ３とした時に、
ｎ２  ＜  ｎ１  ＜  ｎ３
なる条件が満たされることを特徴とする半導体装置が提供される。
【０００７】
また、上記半導体装置の製造方法の一態様として、
第１導電型で不純物濃度がｎ１となる半導体基板の片面に、第１導電型で不純物濃度がｎ３となる半導体層を形成する工程と、
前記第１導電型で不純物濃度がｎ３となる半導体層の表面に第１導電型で不純物濃度がｎ２となる半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記第１導電型で不純物濃度がｎ２となる半導体層の表面に第１導電型の半導体層を形成する工程と、
前記第１導電型で不純物濃度がｎ１となる半導体基板のもう一方の表面に第２導電型の半導体を形成する工程と、を備え、
前記ｎ１〜ｎ３が、
ｎ２  ＜  ｎ１  ＜  ｎ３
なる条件を満たすことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【０００８】
さらに、上記半導体層地の製造方法の別の態様として、
第１導電型で不純物濃度がｎ１となる半導体基板の片面に、第１導電型で不純物濃度がｎ３となる半導体層を形成する工程と、
前記第１導電型で不純物濃度がｎ３となる半導体層の表面に第１導電型で不純物濃度がｎ２となる半導体層を貼り合せる工程と、
前記第１導電型で不純物濃度がｎ２となる半導体層の表面に第１導電型の半導体層を形成する工程と、
前記第１導電型で不純物濃度がｎ１となる半導体基板のもう一方の表面に第２導電型の半導体を形成する工程と、を備え、
前記ｎ１〜ｎ３が、
ｎ２  ＜  ｎ１  ＜  ｎ３
なる条件を満たすことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ｐｉｎダイオードのドリフト層の不純物濃度を調節してカソード層に隣接する領域に低不純物濃度の領域を設け、ここにキャリアを蓄積させておくことにより、逆回復時の低損失性と低ノイズ性を両立し、さらに素子の高耐圧化を可能とした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。  
図１は、本発明の実施の形態にかかるダイオードを表し、（ａ）はその断面図、（ｂ）はその不純物濃度の分布図である。  
図１（ａ）に表したように、第１導電型（ｎ型）の第１の半導体層（以下、ドリフト層）１０１の一方の主面には第２導電型（ｐ型）の第２の半導体層（以下、アノード）１０２が形成され、もう一方の主面には第１導電型（ｎ型）の第３の半導体層（以下、カソード）１０３が形成されている。ドリフト層１０１は、第１領域１０４、第２の領域１０５、第３の領域１０６よりなる。アノード１０２およびカソード１０３には、それぞれアノード電極１０７、カソード電極１０８が設けられている。
【００１１】
図１（ｂ）に表したように、ドリフト層１０１内においては、第３の領域１０６が最大濃度となり、以下、第１の領域１０４、第２の領域１０５の順となっている。例えば、第１の領域１０４の不純物濃度を、１×１０１３ｃｍ−３程度とすると、第３の領域１０６の不純物濃度は１×１０１４ｃｍ−３から１×１０１５ｃｍ−３、第２の領域１０５の不純物濃度は１×１０１２ｃｍ−３程度とすることができる。
【００１２】
図２は、図１に表すｐｉｎダイオードのキャリア濃度の変化の様子を例示する模式図である。  
図２（ａ）は、順方向通電時の状態を表す。この時、キャリアは同図に点線で表したように、ドリフト層に十分存在している。この状態においては、ダイオードには順方向電流ＩＦがアノードからカソード方向へ流れる。    
図２（ｂ）は、逆回復期間を表す。時刻ｔ１〜ｔ３へと変化するに従って空乏層は徐々に広がり、第３の領域と第１の領域の境界付近に達する。このとき、第２の領域では、キャリア濃度の変化はほとんど見られない。第３の領域がホールに対する電位障壁を形成するため、図中に斜線で示した領域２０１にキャリアが閉じ込められた形となる。
【００１３】
図３は、一般的なダイオードの逆回復波形を表した模式図である。  
ダイオードの逆回復期間ｔｒｒは、ダイオードの順方向電流ＩＦが０まで減少して逆電流が流れはじめてから逆電流が最大値となるまでの期間ｔｓと、逆電流が最大値からほぼ０になるまでの期間ｔｄとの和で表される。また、ＶＦは、ダイオードのアノード・カソード間の電圧であり、図３における正方向の電圧は、ダイオードの逆方向電圧を表している。  ダイオードの逆回復特性を表す指標としてｔｄ／ｔｓを用いることができる。「ハードリカバリーな特性」ではこの値が小さくなり、図中に示すようにダイオードの逆回復電流が急激に減少してしまい、テイル電流が発振する（３０１）。これに伴って、回路のインダクタンスＬＳと逆回復電流変化率との積で発生する逆回復電圧も発振してしまう（３０２）。これらはノイズ発生原因となる。
【００１４】
この問題を解消するためには、ソフトリカバリーな特性にしなければならない。すなわち、ｔｄ／ｔｓの値を大きくする必要がある。
【００１５】
図１に表したダイオードにおいては、第２の領域１０５の不純物濃度を第１の領域と比べても低く設定してあるため、この領域内に十分なキャリアを蓄積することができる。すなわち、図２（ｂ）で表した領域２０１を深くすることで、蓄積できるキャリアの数を大きくすることができる。
【００１６】
また、第２の領域１０５の不純物濃度を第１の領域と比べても低く設定してあるため、この領域に閉じ込められたキャリアの消滅速度を遅くすることができる。  
従って、第２の領域１０５内には従来にまして長期間にわたってキャリアが残存し、それによるテイル電流によって逆回復特性を「ソフトリカバリーな特性」とすることができる。
【００１７】
従って、第２の領域１０５の不純物濃度を低くすることで、第２の領域１０５の厚さを薄くすることも可能となる。これにより、ダイオードを低損失化できることになる。
【００１８】
図４は、ダイオードに逆バイアス電圧（最大定格電圧相当）を印加した場合の電界強度分布を表したグラフ図である。  
図４において、実線４０１は、図１に表したダイオードの電界強度分布を表す。また、比較例として、第２の領域の不純物濃度ｎ２と第１の領域の不純物濃度ｎ１とを同じにした場合のダイオードの電界強度分布を点線４０２で表す。  
図４において、電界の傾きは不純物濃度によって決まり、濃度が低い方が傾きはなだらかになる。従って、ドリフト層とカソード層との接合面での電界強度は比較例より大きくなる。このため、最も電界強度が高くなるドリフト層とアノード層とのｐｎ接合面の電界強度を比較例よりも低くすることができ、最大定格電圧を増大することができる。
【００１９】
図５は、ダイオードに逆バイアス電圧（電源電圧相当）を印加した場合の理想的な電界強度分布を表したグラフ図である。ここで、電源電圧は最大定格電圧の１／２から２／３程度の電圧とする。  
図５において、実線５０１は、図３に示す逆回復期間ｔｒｒでの電界強度分布を表し、点線５０２は、その後の定常ブロッキング状態ｔｏｆｆでの電界強度分布を表す。
【００２０】
逆回復期間ｔｒｒにおいて、図２を参照して説明したように、第２の領域にはキャリアが十分蓄積されている。それによるテイル電流が流れている状態では、第１の領域の電界の傾きが大きくなる。従って、第３の領域の不純物濃度と厚さを電源電圧に対し適切に設定することにより、空乏層はドリフト層の第３の領域で停滞する。  
続いて、第２の領域に蓄積されたキャリアが緩やかに消滅し定常ブロッキング状態ｔｏｆｆに至ると、空乏層は第２の領域を急速に広がってカソード層に達する。  
特に、電力用半導体装置においては、宇宙線による破損等についても考慮する必要が出てくる。電源電圧を印加した定常ブロッキング状態において、空乏層がより速くカソード層に達するようにすることで最大電界強度を下げることができ、宇宙線耐量等の信頼性を向上できることになる。
【００２１】
図５に表すような電界強度分布を有するダイオードは、カソード層の第１〜第３の領域における不純物濃度を調整することで実現が可能である。不純物濃度は、要求される耐圧や素子のサイズによっても異なるため、不純物濃度ｎ１〜ｎ３の関係を
ｎ２  ＜  ｎ１  ＜  ｎ３
に保ちつつ調整すればよい。
【００２２】
次に、本実施形態のダイオードの製造方法について説明する。  
図６は、図１に表すダイオードの製造方法の一例を表す工程図である。  
まず、図６（ａ）に表すように、ドリフト層の第１の領域１０４となる不純物濃度がｎ１（例えば、１×１０１3ｃｍ−３）のシリコンウェーハの片面に、不純物濃度がｎ３（例えば、１×１０１４ｃｍ−３）の第３の領域１０６をエピタキシャル成長させる。  
次に、図６（ｂ）に表すように、第３の領域１０６上に不純物濃度がｎ２（例えば、１×１０１２ｃｍ−３）の第２の領域１０５をエピタキシャル成長させる。  
次いで、図６（ｃ）に表すように、カソード層１０３となるｎ型の高濃度領域をエピタキシャル成長させて、ドリフト層１０１およびカソード層１０３のｎ型層を完成させる。  最後に、通常の手法を用いて、ｐ型のアノード層および両電極を形成して、ダイオードを完成する。  
なお、第３の領域１０６、カソード層１０３形成工程のエピタキシャル成長の代わりにインプラ（イオン注入）、拡散を用いてもよい。
【００２３】
図７は、図１に表すダイオードの製造方法の別の例を表す工程図である。
まず、図７（ａ）に表すように、ドリフト層の第１の領域１０４となる不純物濃度がｎ１（例えば、１×１０１3ｃｍ−３）のシリコンウェーハの片面に、不純物濃度がｎ２（例えば、１×１０１2ｃｍ−３）の第２の領域１０５をエピタキシャル成長させる。  
次に、図７（ｂ）に表すように、第２の領域１０５上にカソード層１０３となるｎ型の高濃度領域をエピタキシャル成長させる。  
次いで、図７（ｃ）に表すように、第1の領域１０４と第２の領域１０５の境界付近に、プロトン、ヘリウム等の軽イオンをイオン注入７０１する。  
これに熱処理を行い、図７（ｄ）に表したドリフト層１０１およびカソード層１０３のｎ型層を完成させる。  
最後に、通常の手法を用いて、ｐ型のアノード層１０２および両電極を形成して、ダイオードを完成する。もちろん、軽イオンのイオン注入７０１は、ｐ型のアノード層１０２および両電極を形成した後に行ってもよい。
【００２４】
図８は、図１に表すダイオードの製造方法のさらに別の例を表す工程図である。  まず、図８（ａ）に表すように、ドリフト層の第１の領域１０４となる不純物濃度がｎ１（例えば、１×１０１3ｃｍ−３）のシリコンウェーハの片面に、第３の領域となる不純物濃度がｎ３（例えば、１×１０１４ｃｍ−３）となるように、リン（Ｐ）イオンをインプラ８０１し、拡散させる。  
次に、図８（ｂ）に表すように、第２の領域１０５となる不純物濃度がｎ２（例えば、１×１０１2ｃｍ−３）のシリコンウェーハを貼り合せ、グラインドやエッチング等により適当な厚さに加工する。  
次いで、図８（ｃ）に表すように、高濃度のリン（Ｐ）イオンをインプラ８０２した後、拡散させて、ドリフト層１０１およびカソード層のｎ型層を完成させる。  
最後に、通常の手法を用いて、ｐ型のアノード層および両電極を形成して、ダイオードを完成する。  
本製造方法を用いた場合、エピタキシャル成長を用いることなく、本発明のダイオードを製造することができる。
【００２５】
図９は、図１に表すダイオードの製造方法のさらに別の例を表す工程図である。  まず、図９（ａ）に表すように、ドリフト層の第１の領域１０４となる不純物濃度がｎ１（例えば、１×１０１3ｃｍ−３）のシリコンウェーハと、第２の領域１０５よなる不純物濃度がｎ２（例えば、１×１０１２ｃｍ−３）のシリコンウェーハを貼り合せて、グラインドやエッチング等により適当な厚さに加工する。  
次に、図９（ｂ）に表すように、高濃度のリン（Ｐ）イオンをインプラ９０１した後、拡散させて、カソード層を形成する。  
次いで、図９（ｃ）に表すように、第1の領域１０４と第２の領域１０５の境界付近に、プロトン、ヘリウム等の軽イオンをイオン注入９０２する。  
これに熱処理を行い、図９（ｄ）に表したドリフト層１０１およびカソード層１０３のｎ型層を完成させる。  
最後に、通常の手法を用いて、ｐ型のアノード層および両電極を形成して、ダイオードを完成する。もちろん、軽イオンのイオン注入７０１は、ｐ型のアノード層１０２および両電極を形成した後に行ってもよい。
【００２６】
上記の製造方法により、ドリフト層を構成する３つの領域の不純物濃度および厚さが適宜調整可能となり、図５に表す特性を満たすダイオードを提供することが可能となる。
【００２７】
本発明のダイオードの逆回復特性を高速化するためには、プロトンやヘリウム等の局所ライフタイム制御を利用することができる。これらのライフタイムキラーを第１の領域に停止するように注入することで、第２の領域のキャリアライフタイムを高く維持することができるので、ソフトリカバリー特性を損なうことを避けることができる。
【００２８】
以上説明したように、本発明の実施の形態にかかるダイオードを用いることにより、低ノイズ性と低損失性の一層の向上が可能となる。また、最大定格電圧を上げることができるとともに、宇宙線耐量が高い素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態にかかる型ダイオードの断面図、および不純物濃度の分布図である。
【図２】図１に表すダイオードのキャリア濃度の変化の様子を表す模式図である。
【図３】一般的なダイオードの逆回復波形を表した模式図である。
【図４】ダイオードに逆バイアス電圧（最大定格電圧相当）を印加した場合の電界強度分布を表した図表である。
【図５】ダイオードに逆バイアス電圧（電源電圧相当）を印加した場合の理想的な電界強度分布を表した図表である。
【図６】図１に表すダイオードの製造方法の一例を表す工程図である。
【図７】図１に表すダイオードの製造方法の別の例を表す工程図である。
【図８】図１に表すダイオードの製造方法の一例を表す工程図である。
【図９】図１に表すダイオードの製造方法の一例を表す工程図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０１    ドリフト層
１０２    アノード層
１０３    カソード層
１０４    第１の領域
１０５    第２の領域
１０６    第３の領域
ｔｒｒ    逆回復期間
ｔｏｆｆ  定常ブロッキング状態
【図１】
2006245475.tif 000003
【図２】
2006245475.tif 000004
【図３】
2006245475.tif 000005
【図４】
2006245475.tif 000006
【図５】
2006245475.tif 000007
【図６】
2006245475.tif 000008
【図７】
2006245475.tif 000009
【図８】
2006245475.tif 000010
【図９】
2006245475.tif 000011